智能扫频仪设计与实现VIP

1目 录1 绪论 11.1 课题研究的背景及意义 11.2 国内外研究现状 12 系统总体设计32.1 系统设计总体框图 32.2 系统主要模块功能概述33 主要模块硬件和软件设计 53.1 扫频信号发生器的设计53.1.1 方案选择53.1.2 DDS 芯片 AD9850 介绍 53.1.3 扫频信号发生器电路设计93.1.4 扫频信号发生器软件设计103.1.5 扫频信号发生器测试结果113.2 幅值和相位检测电路的设计123.2.1 方案选择123.2.2 幅值相位检测芯片 AD8302 简介143.2.3 幅值相位的检测电路设计163.2.4 幅值和相位检测电路的调试173.2.5 幅值和相位的测试结果173.3 控制及处理单元1823.3.1 单片机 AT89C52 介绍183.3.2 单片机外围电路设计203.3.3 单片机调试213.4 数据采集模块213.4.1 A/D 转换芯片 PCF8591 的介绍213.4.2 I2C 总线特性263.4.3 PCF8591 应用电路 263.4.4 数据采集软件设计273.4.5 数据采集电路测试结果283.5 显示模块293.5.1 LCD12864 的主要性能介绍293.5.2 LCD12864 与 MCU 的接口电路设计303.5.3 LCD12864 程序设计313.5.4 LCD12864 测试结果323.6 系统总调试334 辅助电路设计 355 结论 36附录 系统原理图37参考文献39致谢 413智能扫频仪的设计与实现摘 要扫频仪是测量网络传输特性的仪器，在现代电子测量中占据着重要的地位。本系统着重分析了扫频仪的工作原理，提出一种基于 DDS 技术的扫频仪设计方案。此设计主要由扫频信号发生器、幅值和相位检测电路、控制和处理单元以及人机接口电路四个模块组成。其中扫频信号发生器采用 DDS 纯数字化方法，使其具有较快的频率转换时间、较高的频率分辨率、较低的相位噪声以及可编程控制的优点，其与幅值相位检测电路构成扫频检测系统，使扫频仪能够在全频范围内实现自动步进测量等测试要求。本系统采用 AT89C52 作为控制及处理单元，使用性价比较高的专用幅值相位检测芯片 AD8302，配有液晶 12864 显示，使扫频仪具有调试方便，性能稳定，系统界面友好等优点。关键词：扫频仪， DDS 技术，扫频信号发生器，幅值和相位检测4Intelligent sweep generator meter design and implementationAbstractSweep generator is an instrument for measuring transmission characteristics of the ne- -t work. In this present system, the working principle of sweep generator were analysed emphatically,then a design scheme based on DDS technology were put forward. This de- -ign mainly includes the signal frequency, amplitude and phase detection circuit, control and processing unit and a human-machine interface and so on. And the sweep signal gen- -erator using DDS pure digital method, high frequency switching time,high frequency r- -esolution and low phase noise, but also has programmable control advantages, coupled with the amplitude phase detection circuit, the frequency sweep meter can be adapted to a range of test requirements. The use of AT89C52 as a control and processing unit, using the integrated amplitude phase detection chip, equipped with LCD display, so that the f- -requency sweep meter has the advantages of simple design, convenient adjustment, sta- -ble performance. This paper introduces in detail the system hardware design and the so- -ftware design, the appendix on the part of the show.Keywords: sweep generator ,DDS technology, swept signal generator, amplitude and phase detection51 绪论11 课题研究的背景和意义在现代电子测量中，经常遇到系统网络阻抗特性及传输特性的测量问题，其中传输特性包括增益和衰减特性、幅频特性、相频特性 1等。频率特征测性仪就是用来测量前述特性的仪器，简称扫频仪。它在现代电子测量中占据着重要的地位，为被测网络的的调整，校准以及故障的排除提供了极大的方便。我们使用的传统仪器如BT-4 型扫频仪大多是采用不同的电子元器件构成振荡器，显示部分也是用比较过时的示波器，这种仪器体积大、稳定度差、精度不高、不易使用、价格高，而且不能显示相频特征，更不能对频率特性图进行保存和打印，不便于用户实际使用 1。随着电子技术的飞速发展，目前市面了也出现了很多新型数字化扫频仪，有的性能非常好，技术指标也非常高。本课题要研制的是一种简易的智能化扫频仪，根据扫频仪的工作原理，提出了一种基于DDS 技术的扫频仪的设计方案。12 国内外研究现状过去，幅频特性的测量是用点频测量法进行的，通过开关及旋钮用手工的方法逐点测量，不仅效率低，而且精度不高，后改用扫频的方法进行测量。早期的扫频技术采用改变腔体结构从而改变LC回路电容来完成扫频信号源的产生，这种方法由于有可动部件而存在可靠性不高的问题 2。气候发展看YIG小球振荡及变容二极管等技术，不仅可靠性提高，而且频率稳定性以及精度都大大提高。目前国内外有许多生产扫频仪的厂家，他们的产品多种多样。美国安捷伦（agilent）公司研制的 E8801A 矢量系统分析仪是一种高精度的仪器，它主要应用于对精密元器件的测量。这款仪器对速度和精度有非常高的要求。E8801A设置了多种功能，用户可以根据需要自由选择。它还具有很强的自测性能6和自助工具，可以满足研发以及生产制造的要求。这款仪器有16 个单独的测试端，仪器内嵌有硬盘驱动器，还有一个鼠标接口。它的频率范围300KHz3GHz, 扫频速度为35 us /点。德国研制的多功能系统检测仪200，主要应用在一些线缆的测试上，如双绞线及同轴线，它的自动测试性能非常好，在短短25 秒内就能够实现测量，用户能够根据自己的需要选择不同的测试标准和电缆类型，测量频率可达200MHZ。它的内存很大，能够存储500 个测量值。这款仪器还有一个时域反射仪（TDR），能够测试线路的多种故障，检测各种连接错误并且能够分辨电缆。德力DEVISER 研发制造的DS7710A/B 系统分析仪运用当前比较前沿的DDS 数字化频率合成技术，精度非常高，具有10Hz 的高分辨率，而且价格便宜。它内部使用PentiumCPU，控制与显示都是全数字化的 2。这款仪器的性能、技术指标都非常高，目前主要用于CATV 及电子元器件的研发制造领域，得到了广大用户的认可。 它的频率范围：300KHz1300MHz，频率分辨率：100Hz。北京恒泰科贸有限公司研发的HT-1252 系列频率特性测试仪多数用于雷达、广播和电视、共用天线、有线电视放大器、发射接收仪器的扫频动态测试。这款仪器有一个大屏幕，界面非常清楚，方便用户观察并分析测量结果 2。其HT-1252-I 频率特征测试仪，频率测试范围：5MHz 1GHz，2 GHz2.8 GHz。72 系统总体设计21 系统设计总体框图本设计着重分析了扫频仪系统的特性，提出了一种基于DDS 技术的扫频仪的设计方案，并确立了扫频仪总体设计如下：根据扫频仪的基本工作原理，扫频仪的总体方案包括五个部分，即扫频信号发生器模块，增益控制模块，幅度和相位检测模块，控制及数据处理单元模块（即CPU ）以及人机接口模块（键盘及显示器）。系统的总体结构框图如图2.1所示：图2.1 系统总体结构框图22 系统主要模块功能概述扫频信号发生器是信号的频率随时间在一定范围内反复变化的正弦信号发生器，扫频信号发生器是一种信号激励装置，是扫频仪的核心部件。本设计中，采用DDS 芯片来产生频率、持续时间等均可控的稳定、平滑的正弦信号。8DDS的全称是Direct Digital Frequency Synthesize，也就是直接数字频率合成。微电子技术的发展使直接数字频率合成技术也得到了快速的发展。DDS是一种全数字化的频率合成器，主要由频率控制寄存器、正弦计算器、相位累加器和参考时钟等几个模块组成 3。增益和相位检测电路是为了检测被测网络两端的幅度比和相位差，再由A/D 转换器进行量化，最后由控制和数据处理单元进行处理。控制及数据处理单元主要实现逻辑控制、数据处理和人机交互三个主要功能，使用89C51 来控制整个系统协调工作。人机接口电路部分主要分为键盘输入和液晶显示，负责显示欢迎画面，系统需要输入的参数及测量结果并接受各种指令，以实现人对系统的控制。本设计的主要特点在于基于DDS设计频率特性测试仪 .DDS具备许多优点，如频率分辨率高、相对带宽宽、频率变换速度快、输出相位连续、可编程和全数字化便于集成等，这些使它的应用越来越广泛 4。它是实现设备全数字化的一个关键技术，广泛应用在电信与电子仪器领域。DDS 技术的一些优势是显而易见的，因此它是目前设计扫频信号发生器较为理想的一种方案。93 主要模块硬件和软件设计31 扫频信号发生器的设计3.1.1 方案选择扫频信号发生器产生测试用的扫频信号，它是扫频仪系统的核心。传统的扫频信号发生器是利用电子元器件以各种不同的形式构成振荡器，其频率精度和稳定度都不高，而且工艺复杂，分辨率低。频率合成技术在电子设计中占有重要的地位。它的发展经历了三个阶段。首先被实际应用的技术是直接频率合成技术 5。直接频率合成技术具备许多优点，如频率范围宽、转换时间短，但是其硬件结构太复杂、设备庞大、成本高，而且难以采取有效措施抑制其输出的谐波、噪声以及寄生频率，因此本设计不采用此种方案。随后进入应用的是锁相频率合成技术。数字化锁相频率合成技术的形成是以数字化可编程分频器、数字化鉴相器等锁相环路部件的出现及它在锁相频率合成技术中的应用为标志的 6。在不断借鉴和使用一些数字化技术产品如吞脉冲计数器、多模分频器、小数分频器的基础上，数字化锁相频率合成技术慢慢走向了成熟。锁相频率合成技术的优势是频率范围大，但它的劣势如频率转换时间长，难以达到很小的频率间隔等使它难以被广泛应用，因此本设计不采用这种方案。直接数字频率合成（DDS）技术带来了频率合成的第二次革命。直接数字频率合成器（DDFS）具备许多优点，频率分辨率高、相对带宽宽、频率变换速度快、输相位连续、可编程和全数字化便于集成等，这些使它的应用越来越广泛。它是实现设备全数字化的一个关键技术，广泛应用在电信与电子仪器领域 5。DDS 技10术的一些优势是显而易见的，因此它是目前设计扫频信号发生器最理想的一种方案。3.1.2 DDS 芯片 AD9850 介绍3.1.2.1 DDS 简介DDS的全称是Direct Digital Frequency Synthesize，也就是直接数字频率合成。微电子技术的发展使直接数字频率合成技术也得到了快速的发展。DDS是一种全数字化的频率合成器，主要由频率控制寄存器、正弦计算器、相位累加器和参考时钟等几个模块组成 7，它的基本结构框图见图3.1。图 3.1 DDS 基本结构框图图中参考时钟是一个稳定度非常高的晶体振荡器, DDS中各个部件通过晶体振荡器来实现同步运行。正弦查询表是一个存储器，里面存放着一个或多个完整周期的正弦波数据。相位累加器是由一个加法器和一个N 位寄存器构成的，它是DDS整个系统最重要的部件 8。正弦查询表含有正弦波一个周期的幅度信息 , 每个地址对应正弦波的一个相位点。相位控制字与相位寄存器的逻辑和, 输入到正弦查询表对应的地址上。输入的地址相位信息经查询表被变换成正弦波的幅度信号,经过DAC 变成模拟量。最后经通滤波器滤波,可得到一个频谱纯净的正弦波 7。DDS有许多优点，如频率分辨率高，频率转换时相位